《XMZ4001600—U型压滤机压紧板的应力分析和结构优化》
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[摘 要]运用Ansys Workbench对XMZ400/1600-U型压滤机重要零件压紧板进行三维建模,针对其极限工况进行应力分析.并在此基础上采用DOE优化技术对其结构实施优化,得到满足强度和尺寸要求且质量最小的压紧板模型.该优化过程提升了压紧板的实用性能,降低了压滤机的生产成本.
[关键词]压紧板；Ansys Workbench；有限元分析；优化设计
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0107-02
0引言
板框压滤机是工业生产中实现固体、液体分离的一种设备,应用于化工、陶瓷、工业过滤、污水处理等领域[1].其工作原理为通过外力的挤压混合液实现固体和液体的分离.压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率和优良的分离效果.
压紧板是压滤机的重要组成部分,其主要作用是将液压缸活塞杆和滤板连接在一起,将液压缸上的压力转递到滤板、滤框上,对滤板进行压紧密封,从而进行固液分离.压紧板的质量在压滤机总体质量中占了较大的比重,而且压紧板也是压滤机上的主要受力零件,故其设计的合理与否对压滤机的整体性能有很大的影响,因此对压紧板结构的设计与研究显得很重要.本文以某公司生产的XMZ400/1600-U型压滤机为例,通过ANSYS软件对其进行静力学分析,然后根据分析结果对其几何尺寸进行优化以达到最小质量目标.
1压紧板的参数化模型与应力分析
1.1压紧板的结构分析
由于压紧板是连接滤板与液压缸活塞杆的零部件,所以其几何尺寸要同时满足滤板的几何尺寸和活塞杆端部的几何尺寸,由XMZ400/1600-U型压滤机的技术要求可知其使用的滤板边长为1600mm,具体参数见表1.
压紧板的主要几何形体包含底板、中心圆凸台、边板、肋板等组成主要受力部分,底板与滤板接触向滤板施加压力,中心圆凸台与液压缸活塞杆端面接触承受油缸压力其具体几何尺寸见表2.
1.2壓紧板受力计算
压紧板主要受到活塞杆的推力,而推力的大小不小于使所有滤板压紧密封的压紧力[2].压紧力由压滤介质的内力和滤板接触面上的密封力两部分组成,即
F≧Q+P （1）
式中,F——施加在压紧板上的压紧力,N；
Q——过滤时作用在滤板上的内力,N；
P——滤板接触面上的密封力,N；
Q等于qS1 （2）
式中,q——过滤操作压力,MPa；
S1——滤板承受液体压力的面积,mm2
P等于pS2 （3）
式中,p——保证密封,滤板接触面上所需的最小压力,MPa,p等于3q；
S2——滤板之间密封接触面积,mm2；
由表1.1可知,该型号的压滤机最大过滤操作压力为0.6MPa,滤板承受液体压力的面积S1为1891985mm2,滤板之间的密封面积S2为384375mm2.由式1,式2,式3,计算得作用在压紧板上的压紧力为：
F等于1.827×106N （4）
1.3建立压紧板的应力分析
综合各方面因素,选用ANSYS对压紧板进行有限元分析.
压紧板的中心凸台上表面的作用是承受液压杆输出的压紧力,符合实体单元受力模型,在划分单元时将其设置为实体单元.凸台四周的肋板及边框是用来固定中心凸台连接底板的,只沿着Z轴方向承受载荷,符合梁单元受力模型,将其设置为梁单元.底板是一个只承受法线方向的平面,故将其视为板壳单元,在划分单元时将设置为板壳单元.
由于模型中包含了实体单元、梁单元和板壳单元三种有限元模型,而这些单元之间又没有公共节点,在加载后内力不能传递,故需要建立接触对.ANSYS软件提供了丰富的接触对算法如拉格朗日乘子法、罚函数法、增广拉格朗日法、MPC多点约束算法等[3].结合本文要解决的问题,选择MPC多点约束算法对不同单元节点进行耦合.
压紧板上的约束及载荷：压紧板在工作过程中,起底板上的四条棱边是固定不动的,故应该约束底板四条棱边上的所有自由度,然后让底板沿着Z轴方向变形.由于压紧板的载荷主要是来自液压杆作用在中心凸台上的压紧力,以及滤箱中的固液混合体作用在底板上的力,大小为1.827×106N.查阅资料得知Q235的弹性模量为2.06E11Pa,泊松比为0.3.
不同类型单元之间的接触对建立好之后进行加载求解,按照之前的分析,限制底板四条边的所有自由度,在圆凸台的上表面和底板的下表面上加载,载荷大小由P等于F/A计算得知,大小为14.5388MPa,加载后进行应力分析.结果如图1所示：
由图可知,压紧板所受的最大应力为143MPa,而Q235的屈服极限为235MPa,压紧板的安全系数为1.643.而通常零件的安全系数为1.3～1.5,故此压紧板的设计过于安全,需进行一定的优化以减小其质量.
2压紧板尺寸优化
2.1优化设计方法
产品的结构优化包括三个层次：结构拓扑优化、形状优化和尺寸优化,它们各自对应于一个产品生产周期中的概念设计、基本设计和详细设计[4].因为压紧板的产品设计已经成熟,因此本文应用Ansys对优化压紧板的尺寸进行优化,最后得到满足结构及强度要求的最优结果（质量最小）,完成整个优化设计过程.
DOE也称试验设计（Design of Experiments）,是一种常见的优化方法,其原理是根据优化参数的数目,利用蒙特卡罗抽样技术,采集设计参数样点,计算每个样点的响应结果,并可利用二次插值函数构造设计空间的响应面云图或响应曲线[5].DOE算法通过设定设计变量的取值范围,经过多次试验后得到不同的输出结果,对比考察设计变量对评价参数的影响情况,整理分析后得出最佳的设计变量值,适用于对压紧板的尺寸进行优化,因此本文采用DOE优化技术进行设计.
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